بطارية ليثيوم أيون مقابل بطارية الحالة الصلبة

بطارية ليثيوم أيون مقابل بطارية الحالة الصلبة

تعد بطاريات ليثيوم أيون وبطاريات الحالة الصلبة خيارين رئيسيين لتشغيل الأجهزة الإلكترونية المحمولة. هذان النوعان من البطاريات لهما مزايا وعيوب مميزة. فيما يلي نظرة عامة على كل منها. إذا لم تكن متأكدًا من النوع الأفضل ، فتابع القراءة.

بطاريات الحالة الصلبة

في حين أن بطاريات الليثيوم أيون ليست جديدة ، إلا أن التكنولوجيا لا تزال في مهدها. تويوتا ، على سبيل المثال ، تجري الآن بحثًا تجريبيًا في هذا المجال كوسيلة للحفاظ على قدرتها التنافسية في سوق السيارات الكهربائية. بدأت فولكس فاجن أيضًا في الشراكة مع شركات التكنولوجيا الصغيرة من أجل تطوير بطاريات الحالة الصلبة لتطبيقات السيارات.

تتمتع البطاريات الصلبة بإمكانية تبسيط الهيكل الداخلي وتغليف البطارية. هذا يمكن أن يقلل من تكلفة التصنيع. سيقوم الباحثون بالتحقيق في هذا الاستخدام المحتمل باستخدام المعادلات التفاضلية لنمذجة بطاريات الحالة الصلبة. للبدء ، سيقوم الباحثون بفحص المؤلفات المنشورة حول نماذج البطاريات. ستسمح لهم النماذج الناتجة بتحديد خصائص أداء بطارية الحالة الصلبة.

تتميز بطارية Li-ion بتصميم مزدوج الطور ، مع واحد أو أكثر من الإلكتروليتات الصلبة التي تفصل السائل عن المادة الصلبة. هذا التصميم له مزايا عديدة. يوفر استخدام المنحل بالكهرباء الهجين مزايا إضافية ، مثل الثبات المحسن على مدى فترات طويلة. يحتوي المنحل بالكهرباء البوليمر الصلب أيضًا على مزايا أكثر من الإلكتروليت السائل النقي.

بطاريات الليثيوم أيون الصلبة قادرة على تخزين كميات كبيرة من الطاقة ، مما يجعلها مرشحًا جيدًا لأجهزة تخزين الطاقة المستقبلية. تتميز هذه البطاريات بكثافة طاقة أعلى وأداء أمان فائق. يكمن التحدي الأكبر في الواجهة بين الإلكتروليت الصلب والإلكترود. من المهم فهم كيفية تكوين طبقة الواجهة وكيفية حل هذه المشكلة.

بطاريات ليثيوم أيون

بالمقارنة مع بطاريات الحالة الصلبة ، فإن بطاريات الليثيوم أيون خفيفة الوزن ومتينة ويمكن أن تؤدي بشكل أفضل في العبوات القابلة للتكديس. ومع ذلك ، يمكن أن تكون غير مستقرة ويمكن أن تنفجر أو تسبب حرائق إذا تعرضت لدرجات حرارة عالية. ومع ذلك ، تعد بطاريات الليثيوم أيون الخيار الأكثر أمانًا والأكثر موثوقية للتنقل الإلكتروني.

مع تزايد شعبية السيارات الكهربائية ، تركز الصناعة على تحسين أداء البطارية. بينما لطالما كانت بطاريات الليثيوم أيون هي الخيار السائد ، قد تحتل بطاريات الحالة الصلبة الأحدث زمام المبادرة قريبًا في تكنولوجيا المركبات الكهربائية. تتمتع بطاريات الحالة الصلبة بكثافة طاقة أعلى ويمكن أن تزيد من نطاق السيارة بنسبة خمسين إلى مائة بالمائة.

تحتوي بطاريات الليثيوم أيون على إلكتروليتات سائلة ، بينما تتكون بطاريات الحالة الصلبة من مواد صلبة. يكمن الاختلاف الرئيسي بين النوعين في طريقة تخزين الإلكتروليتات. تعد بطاريات الحالة الصلبة أكثر استقرارًا من بطاريات الليثيوم أيون ، ويمكن أن تكون أقوى بمقدار 2.5 مرة من نظيراتها السائلة.

يمكن أن تكون بطاريات الحالة الصلبة أغلى من بطاريات الليثيوم أيون. ومن المعروف أيضًا أنهم يعانون من قصر الدائرة. هذا بسبب حقيقة أن جزيئات معدن الليثيوم يمكن أن تتراكم على جانب واحد من البطارية. سيؤدي هذا التغصن إلى ثقب الفاصل ، مما يتسبب في حدوث ماس كهربائي.

تحتوي بطاريات الليثيوم أيون على إلكتروليتات سائلة يمكن أن تكون متطايرة وقابلة للاشتعال. لا تحتوي بطاريات الحالة الصلبة على أي مكونات سائلة ، لذا فهي تنطوي على مخاطر حريق أقل من بطاريات الليثيوم أيون. كما أنها تتطلب أنظمة أمان أقل من بطاريات الليثيوم أيون. توفر بطاريات الحالة الصلبة أيضًا كثافة طاقة أعلى.

بطاريات أيون سائل

تعد بطاريات الأيونات السائلة خيارًا رائعًا للسيارات الكهربائية نظرًا لسهولة تخزينها وتفريغها. ومع ذلك ، لديهم بعض العيوب. يمكن لبطاريات الليثيوم أيون تطوير حالة تسمى الهروب الحراري ، والتي تنتج عندما تبدأ خلية واحدة في البطارية في التسخين وتتسبب في أن تحذو الخلايا الأخرى في العبوة حذوها. في النهاية ، يتسبب هذا في اندلاع حريق داخل حزمة البطارية ، مما قد يصعب إخماده. تميل بطاريات الليثيوم أيون أيضًا إلى تسريب الإلكتروليت ، وهو شديد الاشتعال. وبالتالي ، يجب شحن هذه البطاريات قبل استخدامها.

بطاريات الحالة الصلبة لها عيوبها أيضًا. في حين أنها أخف وزنا وأكثر إحكاما من بطاريات الليثيوم أيون ، إلا أنها ليست متينة مثل البطاريات التقليدية. كما أنها أقل كفاءة في درجات الحرارة القصوى ، مما يجعلها أقل فائدة للمركبات. بالإضافة إلى ذلك ، قد تكون غير مستقرة ويمكن أن تسبب حرائق وانفجارات.

تتميز بطاريات الحالة الصلبة أيضًا بأنها أكثر كثافة للطاقة. لديهم ضعف أو ثلاثة أضعاف كثافة الطاقة لبطاريات الليثيوم أيون. هذا يعني أنها ستكون أصغر حجمًا وأخف وزنًا ، مما قد يكون مفيدًا للمستهلكين. أيضًا ، قد تمنح المركبات الكهربائية نطاقًا أطول. قد يكون هذا شيئًا رائعًا للبيئة.

توفر بطاريات الحالة الصلبة أيضًا سعة أكبر. بينما هم لا يزالون في المرحلة التجريبية ، فإنهم قادرون على تخزين طاقة أكثر من نظرائهم الأيونات السائلة. يستثمر بعض صانعي السيارات ، بما في ذلك Toyota و Volkswagen ، مبالغ ضخمة من المال في تطوير بطاريات الحالة الصلبة للسيارات. تخطط بعض هذه الشركات الآن لجلب هذه التكنولوجيا إلى السوق الشامل بحلول نهاية عام 2024.

المنحل بالكهرباء في بطارية ليثيوم أيون

لا يزال العلماء يبحثون عن بطارية ليثيوم أيون مثالية. إنهم يريدون أن تتمتع بكثافة طاقة عالية وأن تكون آمنة أيضًا للاستخدام. تحتوي العديد من البطاريات المستخدمة حاليًا على إلكتروليتات سائلة يمكن أن تكون قابلة للاشتعال. بطاريات الليثيوم أيون الصلبة مصنوعة بالكامل من مكونات صلبة ويمكن أن تكون أكثر أمانًا في الاستخدام. أدى بحث جديد إلى تطوير إلكتروليت صلب جديد.

تتمثل إحدى مزايا بطاريات الحالة الصلبة في أدائها في درجات الحرارة المنخفضة. لا تستطيع الإلكتروليتات السائلة تحمل درجات الحرارة المرتفعة ، لكن الشوارد الصلبة تستطيع ذلك. يدعم المنحل بالكهرباء الصلب أيضًا عمليات الشحن السريع دون تدهور. كما أنها تتطلب مواد وطاقة أقل لصنعها. لا يمكن إثبات بطاريات الحالة الصلبة إلا إذا كان بالإمكان إنتاجها بكميات كبيرة.

بطاريات الليثيوم الحالة الصلبة لها آلية استخراج مماثلة لبطاريات الليثيوم أيون. الأقطاب الكهربائية مصنوعة من المعدن ، والإلكتروليت مادة سائلة أو صلبة. تتحرك أيونات الليثيوم عبر الإلكتروليت ، مما يخلق تدفقًا كهربائيًا.

لا تتطلب الإلكتروليتات الصلبة فاصلًا.

عيب آخر لبطاريات الحالة الصلبة هو ارتفاع تكلفتها. في حين أنها أرخص من بطاريات الحالة السائلة ، إلا أنها لم يتم إنتاجها بكميات كبيرة بعد. يجب أن يكون المنحل بالكهرباء صلبًا كيميائيًا وموصلًا جيدًا للأيونات بين القطبين. الجانب السلبي الآخر لبطاريات الحالة الصلبة هو أن لها دورة حياة أقصر من نظيراتها في الحالة السائلة.

أنود في بطارية ليثيوم أيون

يُعتقد أن بطاريات الليثيوم ذات الحالة الصلبة أقل عرضة لحدوث حريق وتتطلب معدات أمان أقل. لديهم أيضًا ميزة القدرة على استخدام أنودات الليثيوم المعدنية لكثافة الطاقة العالية. حاليًا ، تقوم أكثر من خمسين شركة بالبحث عن بطاريات الحالة الصلبة وتطويرها. حتى أن البعض أشار إلى أنهم يطورون تقنيات إلكتروليت صلبة مسجلة الملكية. قام مصنعو السيارات وصانعو البطاريات الكبار أيضًا باستثمارات في هذه التكنولوجيا الجديدة.

العيب الرئيسي لبطاريات الحالة الصلبة هو عدم الاستقرار البيني للقطب الكهربائي والإلكتروليت. يؤدي هذا إلى طبقة واجهة يتم تخميلها وتعيق انتشار Li + عبر واجهة SSE للإلكترود. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن يؤدي ركوب الدراجات عالي الجهد إلى تدهور SSE ، مما يؤدي إلى أكسدة.

لقد خدم الجرافيت تاريخيًا كقطب موجب لبطاريات الليثيوم أيون ، لكن الشركات الناشئة تعمل الآن على تطوير بدائل أفضل أداءً. السيليكون ، مادة أولية شائعة تستخدم في بطاريات الليثيوم أيون ، لديها كثافة طاقة أعلى بكثير لكل حجم من الجرافيت.

أصبحت أنودات الليثيوم المعدنية متاحة أيضًا لبطاريات الليثيوم الصلبة. يمكن تصنيع أنودات الليثيوم المعدنية بكثافة طاقة عالية وقدرة متزايدة.